(57)【要約】【課題】  裏ビードが不安定になるという不具合を解消し、高い溶接品質が得られる高速の片面サブマージアーク溶接方法を提供する。【解決手段】  被溶接材同士を突合せて開先を形成し、開先線の裏面に裏当てフラックスを配置して第１電極１、第２電極２及び第３電極３を有する３本電極又はそれ以上の電極を使用して片面から溶接する片面サブマージアーク溶接方法において、開先をＶ形開先とし、このＶ形開先の開先角度を３０乃至５０゜、開先断面積に対する開先充填剤の充填率を５０乃至１００％、溶接速度を６０乃至２００ｃｍ／分とし、開先充填剤として、粒径１５０μｍ以上、２５０μｍ未満の粒子の全開先充填剤に対する割合が７０質量％以上、粒径２５０μｍ以上の粒子の全開先充填剤に対する割合が１５質量％以下、粒径１５０μｍ未満の粒子の全開先充填剤に対する割合が１０質量％以下の開先充填剤を使用する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被溶接材同士を突合せて開先を形成し、開先線の裏面に裏当てフラックスを配置して３本又はそれ以上の電極を使用して片面から溶接する片面サブマージアーク溶接方法において、前記開先をＶ形開先とし、このＶ形開先の開先角度を３０乃至５０゜、開先断面積に対する開先充填剤の充填率を５０乃至１００％、溶接速度を６０乃至２００ｃｍ／分とし、開先充填剤として、粒径１５０μｍ以上、２５０μｍ未満の粒子の全開先充填剤に対する割合が７０質量％以上、粒径２５０μｍ以上の粒子の全開先充填剤に対する割合が１５質量％以下、粒径１５０μｍ未満の粒子の全開先充填剤に対する割合が１０質量％以下の開先充填剤を使用することを特徴とする片面サブマージアーク溶接方法。
【請求項２】
前記開先充填剤におけるスズ（Ｓｎ）の含有量は０．０２質量％以下であることを特徴とする請求項１に記載の片面サブマージアーク溶接方法。
【請求項３】
前記開先充填剤の嵩密度は３．０乃至３．８ｇ／ｃｍ３であることを特徴とする請求項１又は２に記載の片面サブマージアーク溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は開先線の裏面に裏当てフラックスを配置して３本又はそれ以上の電極を使用して高速で片面溶接を行って特に裏ビードが安定した溶接品質を得ることができる片面サブマージアーク溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
船体鋼板の板継溶接方法として、熱硬化性樹脂を含んだ粉末の裏当てフラックスを均一な厚さに敷き、それを押し上げ機構により開先線裏面に押し当て、表側から裏ビードを形成しながら片面溶接を行う片面サブマージアーク溶接方法が広く採用されている。
【０００３】
片面サブマージアーク溶接方法では、多電極を用いて溶接速度アップによる能率向上が図られている。このような片面溶接では、裏ビードを安定に形成する目的で従来からＹ形開先が広く適用されており、多電極を用いる場合でもＹ形開先が使用されている。
【０００４】
しかし、高速片面溶接では、速度が速く、溶け込みが少なく、溶接条件範囲が狭いために、溶接品質は開先角度、ルート間隔、ルート高さの影響を受けやすく、良好な表及び裏ビードを形状するためには厳しい開先精度が要求される。
【０００５】
片面溶接の場合は、特に良好な裏ビードを得ることが重要であり、開先角度、ルート間隔、ルート面高さの中でも、特にルート面高さが裏ビード形状に及ぼす影響が大きい。特に、高速片面溶接では、溶接速度の高速化の伴いこれまで問題とならなかったＹ形開先のルート面高さの変動が溶接品質に与える影響が大きいことが分かった。
【０００６】
具体的には、過大なルート面高さは裏ビードの形状悪化を招くおそれがあり、逆に過小なルート面高さは開先断面積が大きくなり溶着量が確保できないばかりか、裏ビードの余盛り高さが過大となって横割れ発生の原因となる。なお、一般的に、ルート面高さは被溶接材の開先をガスなどで切断する際の精度バラツキによる変動が避けられないものである。
【０００７】
このような片面サブマージアーク溶接方法に関する先行技術として、例えば特許文献１乃至６が挙げられる。特許文献１は、Ｙ形開先を採用した片面サブマージアーク溶接方法において、紛状又は粒状の充填剤を開先内体積に対して５０〜１００％充填する方法が提案されている。しかしながら、上記片面サブマージアーク溶接方法は、高速溶接における溶着量は確保できるももの、開先内に充填剤を散布するものであるためにルート長さが変動した場合には、充填剤がない場合と同様に裏ビードの形状が不安定となるという問題点があった（特許文献１、段落００１５）。
【０００８】
また、特許文献２は、溶接金属の低温靱性を確保する目的で、Ｙ形開先のギャップの開いたルート部に鋼充填剤を充填させる片面サブマージアーク溶接方法が記載されている。しかしながら、この先行技術は充填剤の量が開先断面積に対して約７％と少ないために、ギャップが大きい場合には裏ビードが過大となったり、溶着量が不足したりして安定した品質の製品が得られないという問題点があった（特許文献２、図２）。
【０００９】
本発明者は、片面サブマージアーク溶接方法における溶接品質を安定させるために、裏当てフラックスの組成や嵩密度、溶接条件等について種々検討したが、開先のルート長の変動が溶接品質に及ぼす影響を緩和するには至らなかった。また、本発明者は溶接施工面において、ルート長の変動の影響を開先内にシーリングビードを１層又は２層程度、溶接長全体に置くことにより解消する方法を検討したが、シーリングビードを置くことによって裏ビード形状は安定化するものの、シーリングビードを置くための作業に多大の時間を要するために効率が低下し、開先断面積が広くなった時には溶着量を確保できないという問題点があった。
【００１０】
そこで、本発明者らは、被溶接材の切断時の精度によって変動するルート部が存在することがＹ形開先を採用した片面サブマージアーク溶接方法における溶接品質の不安定化につながっていると考え、ルート部が存在しないＶ形開先に着目した。
【００１１】
Ｖ形開先に関する先行技術として、例えば特許文献３が挙げられる。特許文献３は、Ｖ形開先と充填剤を用いた片面サブマージアーク溶接に関するものであるが、固形裏当て材との組み合わせとして適用するものであり、またその溶接速度は３５ｃｍ／ｍｉｎ程度であり、本発明が対象とする高速溶接に対する検討はなされていない（特許文献３、段落０００１、表５）。
【００１２】
ところで従来から、Ｖ形開先は固形裏当て材との組み合わせで適用されることが多く、固形裏当て材の溝形状によりはじめて裏ビードが安定化すると考えられており、フラックスを裏当て材に用いる片面サブマージアーク溶接ではＶ形開先はＹ形開先に比べて裏ビードが不安定になるという認識があった。
【００１３】
このような状況下、本発明者は、Ｖ形開先を用いたサブマージアーク溶接方法において開先充填剤として鉄粉を用いたり、溶接条件や開先形状などについて種々検討したが、直ちに溶接品質の安定化には至らなかった。
【００１４】
片面サブマージアーク溶接方法において、開先充填剤として鉄粉を適用した先行技術として、例えば特許文献４乃至６が挙げられる。特許文献４は、金属粉である鉄粉の粒径を８５０μｍ以下とし、平均粒径を７５〜３００μｍに制限するものであり（特許文献４、段落００１２、００１４）、特許文献５は、鉄粉のかさ密度を２．５程度、粒径を４０メッシュ以下とするものであり（特許文献５，第６欄）、又特許文献６は、開先充填材として２８〜５５メッシュのものが１６〜２４％、５５〜１００メッシュのものが３２〜４８％、１００〜２００メッシュのものが２４〜３６％、及び２００メッシュ以下のものが８〜１２％に規定している（特許文献６、第２欄）。更に、上述した特許文献２には粒径１８０μｍ未満の粒子が全開先用充填材の８０％以上で、４５μｍ以上の粒径のものを８０％以上含有する片面サブマージアーク溶接開先用充填材が開示されている（特許文献２、請求項２）。
【００１５】
【特許文献１】特開平７−８８６５１号公報
【特許文献２】特開平１０−２６３８８１号公報
【特許文献３】特開２０００−２７１７８８号公報
【特許文献４】特開平０７−１８５８２１号公報
【特許文献５】特公昭４５−２４８５０号公報
【特許文献６】特公昭４４−１６７６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかしながら、上記先行技術は何れも本発明が対象とする高速片面サブマージアーク溶接方法に関するものではなく、このような高速サブマージアーク溶接方法において溶接品質を向上させること、特に裏ビードを安定させることができないという問題点は未解決のままであった。
【００１７】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされてものであって、片面溶接方法において、裏ビードが不安定になるという不具合を解消し、高い溶接品質の製品を得ることができる高速の片面サブマージアーク溶接方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本願発明に係る片面サブマージアーク溶接方法は、被溶接材同士を突合せて開先を形成し、開先線の裏面に裏当てフラックスを配置して３本又はそれ以上の電極を使用して片面から溶接する片面サブマージアーク溶接方法において、前記開先をＶ形開先とし、このＶ形開先の開先角度を３０乃至５０゜、開先断面積に対する開先充填剤の充填率を５０乃至１００％、溶接速度を６０乃至２００ｃｍ／分とし、開先充填剤として、粒径１５０μｍ以上、２５０μｍ未満の粒子の全開先充填剤に対する割合が７０質量％以上、粒径２５０μｍ以上の粒子の全開先充填剤に対する割合が１５質量％以下、粒径１５０μｍ未満の粒子の全開先充填剤に対する割合が１０質量％以下の開先充填剤を使用することを特徴とする。
【００１９】
本発明において、開先充填剤におけるスズ（Ｓｎ）の含有量は０．０２質量％以下であることが好ましい。また、開先充填剤の嵩密度は３．０乃至３．８ｇ／ｃｍ３であることが好ましい。
【発明の効果】
【００２０】
本願発明に係る片面サブマージアーク溶接方法によれば、アンダカット等の欠陥の発生もなく、表ビード、裏ビード共、形状、高さ及び幅のいずれも良好の溶接品質を得ることができる。
【００２１】
また、開先充填剤におけるスズ（Ｓｎ）の含有量を０．０２質量％以下とすることにより、スラグの焼き付きを防止し、剥離性を確保することができる。更に、開先充填剤の嵩密度を３．０乃至３．８ｇ／ｃｍ３とすることにより、ワイヤ先端から発生したアークの通りをよくして安定した裏ビードを形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明の実施形態に係る片面サブマージアーク溶接方法は、被溶接材同士を突合せて開先を形成し、開先線の裏面に裏当てフラックスを配置して３本又はそれ以上の電極を使用して片面から溶接する片面サブマージアーク溶接方法において、開先をＶ形開先とし、このＶ形開先の開先角度を３０乃至５０゜、開先断面積に対する開先充填剤の充填率を５０乃至１００％、溶接速度を６０乃至２００ｃｍ／分とし、開先充填剤として、粒径１５０μｍ以上、２５０μｍ未満の粒子の全開先充填剤に対する割合が７０質量％以上、粒径２５０μｍ以上の粒子の全開先充填剤に対する割合が１５質量％以下、粒径１５０μｍ未満の粒子の全開先充填剤に対する割合が１０質量％以下の開先充填剤を使用する。
【００２３】
本発明者は、Ｖ形開先を適用した片面サブマージアーク溶接方法における開先充填材について、種々検討を加え、開先充填材に使用する鉄粉の粒度構成を一定範囲に規定することにより、高速溶接において極めて安定した溶接品質が得られることを見いだし、さらに、開先角度、開先内の充填量及び嵩密度等について検討を加え、本発明を完成させた。
【００２４】
本実施形態は、鉄を主成分とする開先充填剤の粒度構成を粒径１５０μｍ以上、２５０μｍ未満の粒子の全開先充填剤に対する割合を７０質量％以上、粒径２５０μｍ以上の粒子の全開先充填剤に対する割合を１５質量％以下、粒径１５０μｍ未満の粒子の全開先充填剤に対する割合を１０質量％以下、即ち比較的大きな粒径で、かつ極めて狭い範囲に規定することにより、Ｖ形開先を採用したフラックスを裏当て材に用いる片面サブマージアーク溶接では裏ビードが不安定になるという不具合を解消し、裏ビードの安定性を確保したものである。
【００２５】
開先充填剤の粒度構成を上記ように規定することによって裏ビードが安定する理由として、シャープな粒度分布を有し、比較的大きな粒径の開先充填剤が開先内に散布された状態では粒子同士の隙間が確保されアークの通りが良好となって安定した裏ビードが形成されると考えられる。多電極を用いるサブマージアーク溶接方法においては、通常、第１電極によって母材の裏側までアークによって溶融され、溶け込みが確保されるが、上述した粒度構成の開先充填剤を使用することによりアークの通りがよくなり、安定した溶接品質が得られる。なお、粒径分布幅の大きい粒子の混合体では粒径の大きな粒子の間隙に粒径の小さな粒子が充填されて隙間がなくなり、アークの通りが悪くなる。
【００２６】
以下に、本実施形態における、数値範囲等の限定理由について説明する。
【００２７】
本実施形態においては、電極数を３本又はそれ以上のサブマージアーク溶接方法を対象とする。本実施形態は高速片面サブマージアーク溶接方法を前提としており、例えば６０ｃｍ／分の溶接速度を確保するためには少なくとも３本以上の多電極サブマージアーク溶接とする必要がある。従って本実施形態においては電極数を３本又はそれ以上を対象とする。
【００２８】
本実施形態においては、開先をＶ形開先とする。従来より片面サブマージアーク溶接方法に適用されていたＹ形開先は、被溶接材の切断時の精度によってルート部形状が変動し易く、これが溶接品質の不安定化の原因と考えられることから、ルート部がもともと存在しないＶ形開先を採用するものである。
【００２９】
本実施形態においては、開先角度を３０乃至５０゜とする。一般に、開先断面積は能率性の観点からできるだけ小さいことが望まれるが、開先角度が３０゜未満では高温割れの可能性が高くなる。一方、開先角度が５０゜を超えると開先断面積が大きくなりすぎ、効率が悪くなる。従って、本実施形態においては、開先角度を３０乃至５０゜とする。
【００３０】
本実施形態においては、開先充填剤の充填率を開先断面積の５０乃至１００％とする。開先充填剤の充填率は能率性の観点から高い方が良い。充填率が５０％未満では溶着金属を補充する効果が小さすぎ、開先の全てを開先充填剤で充填しても良い。従って、本実施形態においては、開先充填剤の充填率を開先断面積の５０乃至１００％とする。
【００３１】
本実施形態においては、溶接速度を６０乃至２００ｃｍ／分とする。本実施形態は上述したように、高速サブマージアーク溶接を対象としており、少なくとも６０ｃｍ／分の溶接速度を確保する必要がある。なお上限は、溶接施工方法における限界があることから、２００ｃｍ／分とする。
【００３２】
本実施形態においては、開先充填剤の粒度構成を以下のように規定する。
即ち、粒径１５０μｍ以上２５０μｍ未満の粒子の全開先充填剤に対する割合を７０質量％以上とする。粒径１５０μｍ未満の粒子ではアークの通り、即ちアークが開先充填剤を通り抜けて母材下部まで達することが阻害される。一方、粒径が２５０μｍ以上の粒子が多くなりすぎると、高速溶接において、開先充填剤の溶融に要する時間がかかり過ぎ、安定した表及び裏ビードを形成することができない。また、高速溶接性を確保することができない。粒径１５０μｍ以上２５０μｍ未満の粒子の全開先充填剤に対する割合が７０％未満では上記範囲以外の粒径の粒子割合が相対的に多くなりすぎてアークの通りが悪くなるなど、悪影響がでる。
【００３３】
また、２５０μｍ以上の粒子の全開先充填剤に対する割合を１５質量％以下とする。２５０μｍ以上の粒子は高速溶接では溶融し難い。従って１５質量％を超えて含まれると溶融に時間がかかり、短時間に溶融することが必須の高速溶接では不適当となる。
【００３４】
更に、粒径１５０μｍ未満の粒子の全開先充填剤に対する割合を１０質量％以下とする。粒径１５０μｍ未満の粒子が１０質量％以上含まれると、それよりも大きな粒子の粒子間隙に充填されることになり、アークの通りが悪くなる。
【００３５】
従って、本実施形態においては、開先充填剤の粒子構成を、粒径１５０μｍ以上、２５０μｍ未満の粒子の全開先充填剤に対する割合を７０質量％以上とし、２５０μｍ以上の粒子の全開先充填剤に対する割合を１５質量％以下とし、粒径１５０μｍ未満の粒子の全開先充填剤に対する割合を１０質量％以下とする。
【００３６】
本実施形態においては、開先充填剤におけるスズ（Ｓｎ）の含有量を０．０２質量％以下とする。Ｓｎは開先充填剤の不純物であるが、その含有量が０．０２質量％を超えるとスラグが焼き付き、剥離しにくくなる。従って、本実施形態においては、開先充填剤におけるＳｎの含有量を０．０２質量％以下とする。
【００３７】
本実施形態において、開先充填剤の嵩密度を３．０乃至３．８ｇ／ｃｍ３とする。開先充填剤の嵩密度が３．０ｇ／ｃｍ３未満であると溶着金属を補充する効果が小さすぎ、３．８ｇ／ｃｍ３を超えると鉄粉の割合が高くなりすぎ、高速溶接ではワイヤ先端から発生したアークが通りにくくなるので、安定したビードが形成されなくなる。
【実施例】
【００３８】
次に、本発明の実施例について比較例と比較して説明する。
【００３９】
下記表１に示す鋼板を表２に示すワイヤ、表３に示す表フラックス、表４に示す裏当てフラックスを使用し、表５乃至表１９に溶接試験結果とともに示した溶接条件に従って片面サブマージアーク溶接を実施した。なお、表５乃至７は、実施例１乃至９に関するもの、表８乃至１０は実施例１０乃至１７に関するもの、表１１乃至１３は実施例１８乃至２０に関するもの、表１４乃至１６は比較例１乃至８に関するもの、表１７乃至１９は比較例９乃至１４に関するものである。
【００４０】
【表１】
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【００４１】
【表２】
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【００４２】
【表３】
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【００４３】
【表４】
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【００４４】
【表５】
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【００４５】
【表６】
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【００４６】
【表７】
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【００４７】
【表８】
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【００４８】
【表９】
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【００４９】
【表１０】
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【００５０】
【表１１】
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【００５１】
【表１２】
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【００５２】
【表１３】
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【００５３】
【表１４】
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【００５４】
【表１５】
2005349407.tif 000017
【００５５】
【表１６】
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【００５６】
【表１７】
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【００５７】
【表１８】
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【００５８】
【表１９】
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【００５９】
図１及び図２は夫々本実施例及び比較例で使用した片面溶接装置における３電極トーチ及び４電極トーチにおける電極配置を示す模式図である。図１において、第１電極１、第２電極２及び第３電極３が夫々溶接方向５に沿って順次配置されている。第１電極１及び第２電極２の電極径は夫々４．８ｍｍ、第３電極３の電極径は６．４ｍｍである。第１電極１は溶接方向に傾斜しており、その電極傾斜角度θ１は１３゜である。第２電極２及び第３電極３は共に電極傾斜角度は０であり、溶接方向に対して直角に配置されている。第１電極１と第２電極２との電極間距離ｄ１は３５ｍｍ、第２電極２と第３電極３との電極間距離ｄ２は１４０ｍｍである。
【００６０】
また図２において、第１電極１１、第２電極１２、第３電極１３及び第４電極１４が夫々溶接方向１５に沿って順次配置されている。第１電極１１及び第２電極１２の電極径は夫々４．８ｍｍ、第３電極１３及び第４電極１４の電極径は夫々６．４ｍｍである。第１電極１１は溶接方向に傾斜しており、その電極傾斜角度θ１１は１０゜、第２電極１２、第３電極１３及び第４電極１４は、共に溶接方向とは逆方向に傾斜しており、その電極傾斜角度は夫々θ１２が５゜、θ１３が３゜及びθ１４が１３゜である。第１電極１１と第２電極１２との電極間距離ｄ１１は３０ｍｍ、第２電極１２と第３電極１３との電極間距離ｄ１２は１７０ｍｍ、第３電極１３と第４電極１４との電極間距離ｄ１３は３０ｍｍである。
【００６１】
溶接試験の条件及び結果を示す表５乃至表１９から、以下のことが分かる。即ち、本発明の範囲に入る実施例１乃至２０は、アンダカット等の欠陥の発生もなく、表及び裏ビードとも形状、高さ及び幅のいずれも良好であり、かつ安定した結果が得られた。
【００６２】
これに対して、本発明の範囲から外れる比較例１及び２は開先形状がＹ形であるため裏ビード形状が悪く、裏ビード幅が不安定になった。また比較例３及び５は開先角度が２０゜と狭いため継手の断面形状がなし型になり高温割れが発生した。
【００６３】
比較例４及び６は開先角度が６０゜と広いため高速溶接では溶接金属の量が不足し、表ビードの余盛不足となった。比較例７及び８は充填材の充填率が５０％未満であるため、高速溶接においては溶融金属の量が不足し、表ビードの余盛不足となった。
【００６４】
比較例９及び１０は開先充填材の粒径１５０μｍ以上、２５０μｍ未満のものが７０質量％未満であり、また粒径２５０μｍ以上のものが１５質量％以上であるため、アークの通りが悪くなり裏ビード形状が悪く、裏ビード高さが不安定になると同時に開先充填材が完全に溶融せず表ビードが悪くなり、表ビード高さが不安定になった。
【００６５】
比較例１１及び１２は開先充填材の粒径２５０μｍ以上のものが１５質量％を超えているため、開先充填材が完全に溶融せず表ビード形状が悪くなり、表ビード高さが不安定になった。また、比較例１３及び１４は開先充填材の粒径１５０μｍ未満のものが１０％を超えているため、アークの通りが悪くなり裏ビード形状が悪くなり、裏ビード高さが不安定になった。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
特に裏ビードを安定させ、高い溶接品質を確保することができる本発明の片面サブマージアーク溶接方法は、各種溶接の分野、特に、溶接ロッボットを用いた自動溶接の分野で有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明で適用される３本電極トーチの電極配置を示す模式図である。
【図２】本発明で適用される４本電極トーチの電極配置を示す模式図である。
【符号の説明】
【００６８】
１：第１電極
２：第２電極
３：第３電極
５：溶接方向を示す矢印
１１：第１電極
１２：第２電極
１３：第３電極
１４：第４電極
１５：溶接方向を示す矢印
【図１】
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【図２】
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